Hydrogels og lífssparnaður þeirra

Verið velkomin í heim hydrogels - nanóstór efni sem geta haft áhrif á milljarða um allan heim!

Frá því að við vorum krakkar hefur okkur verið kennt að mál séu til í þremur ríkjum: föstu, fljótandi og gasi. En náttúran er í raun flóknari en það, þar sem sum efni eru til milli ríkjanna. Hugsaðu til dæmis matarlím, innihaldsefnið sem fær eftirrétti til að gabba. Það er hvorki fast eða fljótandi né gas; það er hýdrógel!

Vetnisefni eru óleysanleg í vatni, þvertengd, þrívídd net fjölliða fjötra, ásamt vatni sem fyllir tómarúm milli fjölliða keðjunnar. Krossbindingin milli fjölliða keðjanna gefur tilefni til vélræns styrkleika og líkamlegs heiðarleika mannvirkisins. Vetnisefni eru mjög frásogandi og innihalda að minnsta kosti 90% af vatni. Það er jafnvel hærra hlutfall af vatni sem mannslíkaminn getur haldið!

Ennfremur, hydrogel er auðvelt forritanlegt efni, sem þýðir að við getum hannað efnafræðileg viðbrögð til að sameina hydrogel við aðrar sameindir í tilteknum tilgangi.

Síðan á sjöunda áratugnum hafa vísindamenn séð fyrir sér hydrogel sem efnilegan frambjóðanda til varanlegrar snertiforrita, þeir sem eru græddir í líkamann til frambúðar án höfnunar frá ónæmiskerfinu.

Hérna er svalasta hlutinn: Hydrogels eru klár efni! Þeir breyta sumum eiginleikum, svo sem lögun, til að bregðast við mismunandi breytingum á umhverfinu. Nokkur algeng áreiti fyrir snjall vatnsefni í líffræðilegum notkun er pH, hitastig og jónastyrkur. Þetta gerir hydrogels kleift að vera fullkominn frambjóðandi þegar þeir fara inn í staðbundið umhverfi líkamans. Við getum líka breytt utanaðkomandi umhverfi utan frá til að vinna að virkni hýdrógelsins inni í líkamanum.

Hvað gerir hydrogels svo „snjallt“?

Það eru margir starfhæfir hópar sem eru tengdir fjölliðuhryggnum, eitt áberandi dæmi eru karboxýlsýruhópar, eða RCOOH. Þegar karboxýlsýruhópur er bætt við vatn, getur vetnið í sýruhópnum losað sig. Niðurstaðan er karboxýlat jón (RCOO-) með neikvæða hleðslu og vetnisjó (H +). Ef umhverfið styrkir aðskilnað vetnis, þá hefur fjölliða keðjan mikið af neikvæðum hleðslum meðfram burðarás hennar. Neikvæðar hleðslur fjölliða keðjanna hrinda af stað hvor annarri og veldur því að hýdrógelið leysist upp (opnast). Neikvæðu hleðslurnar auka einnig aðdráttarafl fjölliða að vatni með því að laða að jákvæðan vetnisdípól vatns.

Einnig eru viðbrögð RCOOH við RCOO- afturkræf og efnaumhverfið mun ákvarða hvort framvirk viðbrögð eiga sér stað. Þar sem fjölliða burðarásinn þarf að vera neikvæðari miðað við efnasameindir í umhverfi sínu, mun H + ríkur / súrt (lágt pH) umhverfi styðja ROOH - eða hlutlaust - burðarás. Aftur á móti, frekar basískt (hærra sýrustig) hlynnt neikvæða hleðslu. Boom, þetta er dæmi um hvernig lítil breyting á sýrustigi getur haft veruleg áhrif á bólgu í vatnsbólum!

Lyfjagjöf

Eitt af mest spennandi klínísku forritunum sem verið er að prófa er í lyfjagjöf. Fólk með sykursýki af tegund 1 þarf stöðugt að sprauta sig með insúlíni til að stjórna blóðsykrinum.

Hydrogels geta hjálpað sjúklingum að afsala sér þeirri þörf. Reyndar eru vísindamenn að nota pólý (ß-amínóester) (PAE) til að mynda vatnsbólur sem hægt er að sprauta undir húðina, sem skapar afhendingu insúlíns í líkamanum. Insúlín dreifist náttúrulega frá umhverfinu með hærri insúlínþéttni til lægri insúlínstyrks, sem leiðir til þess að hormón losnar hægt innan frá hýdrógelsins í blóðrásina.

Með þessum hætti er hægt að skipta um margar insúlínsprautur með einni hýdrogel inndælingu!

Ferskt blóð fyrir skemmda vefi

Vatnsvetni geta ekki aðeins komið í stað insúlínskota, það er efnilegur valkostur við blóðþynningarlyf og æðavíkkun og hjáveituaðgerðir - núverandi meðferðaraðferðir við blóðþurrð.

Sýning á heilablóðþurrð í heila - tegund heilablóðfalls sem verður þegar blóðflæði til heilans er rofið

Blóðþurrð er alvarlegt læknisfræðilegt ástand þar sem blóðflæði og afhending súrefnis til vefja er takmörkuð, sem veldur því sársauka, máttleysi og alvarlegri, vefjum og líffæraskemmdum. Þegar það kemur fyrir í vöðvavefnum, sérstaklega í formi æðakölkun, getur blóðþurrð valdið banvænum sjúkdómum eins og kransæðasjúkdómi og heilablóðfalli - sem eru nú helsta dánarorsök samkvæmt Alþjóðaheilbrigðismálastofnuninni.

Vísindamenn hafa fundið mjög áhugaverða aðferð til að meðhöndla blóðþurrð: Rækta nýjar æðar til að auka blóðflæði á blóðþurrðarstað með afhendingu æðamyndandi vaxtarþátta eins og æðum æðaþels vaxtarþáttur (VEGF) og insúlínlíkur vaxtarþáttur-1 (IGF) !

Eftir að hafa verið gefinn innrennsli með VEGF og IGF er hægt að skila alginatvökvunum til líkamans með örmálsgreinum.

Peptíð breytt kítósanhýdrógel sem leiðir til myndunar nýrra æðar. (Chen o.fl. (2015). Laminín líknandi peptíð SIKVAV-kítósanhýdrógel stuðlar að sáraheilun með því að auka æðamyndun, endurtekna þekju og kollagen útfellingu. J. Mater. Chem. B. 3. 10.1039 / C5TB00842E)

Oftast flokkaðir saman í stórum fjölda, eru örkenndar hönnuð til að bera á húðina eins og plástur. Þegar þrýst er á yfirborð húðarinnar geta nálarnar farið yfir ysta lag húðarinnar („stratum corneum“) sem skapar síðan smásjárhol, sem gerir vaxtarþáttum kleift að komast inn í líkamann og örva vöxt nýrra æðar án þess að valda hvers kyns tjón á þeim sem fyrir eru.

Sýning á örkumlum sem gefa út efni

Morð á ofurfuglum

Vísindamenn frá Institute of Bioengineering and Nanotechnology (IBN) og IBM Research þróuðu fyrsta örverueyðandi vatnsfrumukrabbamein sem getur brotið í sundur líffilms og eyðilagt fjöllyfjaþolna superbugs við snertingu með vatnsefnum árið 2013. Og það er sannarlega ótrúlegt!

Venjulegar frumur Acinetobacter baumannii bakteríanna fyrir (vinstri) og eftir (hægri) meðferð með fjölliðunum [Credit: Institute of Bioengineering and Nanotechnology]

Það er undirliggjandi grundvallarvandamál við hvernig við meðhöndlum bakteríur í dag: sýklalyf er að þeir séu sleggjur sem tæma og eyðileggja örverusamfélagið í þörmum.

Það sem er mjög mikilvægt að skilja er að ef við höldum áfram að nota sýklalyf til 2050 munu 10 milljónir manna deyja á ári vegna bakteríusýkinga. Það er jafnvel fleiri dauðsföll en allar tegundir krabbameina samanlagt.

Hægt er að hlaða vatnsrof með nanóhlutum úr málmi sem ný leið til að berjast gegn örverum. Sem dæmi má nefna að Ag + sem losnað er frá Ag nanoparticles hefur samskipti við cystein á ákveðnum svæðum próteina á bakteríuhimnum, sem veldur K + tapi innan frá og truflun á flutningskerfi frumna, sem að lokum leiðir til bakteríudauða.

Skýringarmynd af fjögurra þrepa drápkerfi fjölliðunnar gegn lyfjaþolnum superbugs (skref 1) Binding jákvæð hlaðna fjölliðunnar við yfirborð bakteríafrumunnar, (skref 2) Hlutleysa jákvæða hleðslu fjölliðunnar til að komast inn í bakteríufrumuhimnuna , (Skref 3) Komandi í sýróplasíma bakteríunnar, vökvi sem fyllir frumuna, og (skref 4) Útfellir umfrymisefni til að drepa bakteríuna. (Kredit: Institute of Bioengineering and Nanotechnology)

Aðrar rannsóknir hafa einnig sýnt að Ag + hefur samskipti við prótein í frumuvegg og plasma himnu baktería. Samsetning Ag + og neikvætt hlaðin himna gata himnuna, þannig að umfrymis innihald rennur út úr frumunni, dreifist H + halli yfir himnuna og veldur stundum frumudauða.

Með fjölhæfu og forritanlegu eðli eru hydrogels eitt einfaldasta en forvitnilegasta og öflugasta efnið í heimi okkar í dag!

Áður en þú ferð,

Klappaðu þessari grein ef þú lærðir eitthvað nýtt.
Deildu með samstarfsmönnum, fjölskyldu og vinum!
Fylgdu miðlungs síðu minni til að vera uppfærð með verkefni mitt í nanótækni, erfðatækni, öldrun og vélinám!